Асинхронный двигатель

Асинхронный двигатель

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Класс 21сР, 23„, 2!сР, 20

21сР,19о, СССР № 64151 описдник изобретения

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Зарегистрировано в Бюро и "обре:пений Госплана СССР

С. С, Иосифов

Асинхронный двигатель

Заявлено 13 марта 1941 года в Каркомэлектропром эа ¹ 41707 (305249) Опубликовано 31 января 1945 года

Асинхронные двигатели — самые распространенные электрические машины. Их отличительные особенности: простота устройства, надежность в работе, высокий коэфициент полезного действия, хороший перегрузочный момент, малый вес, дешевизна и отсутствие ухода за ними.

Наибольшее распространение имеют двигатели с фазным ротором и двигатели с короткозамкнутым ротором: с простой беличьей клеткой, с глубоким пазом и с двойной клеткой Бушеро. Из них двигатели с фазным ротором являются сравнительно наиболее сложньп|и, тяжелыми, дорогими и наименее надежными; Они имеют сра|внительно худшие,рабочие показатели, но наилучшие пусковые характеристики: наибольшие пусковые моменты при на.именьших пусковых токах. Двигатели же с короткозамкнутым ротором, напротив, являются самыми простыми, легкими, дешевыми и надежными из всех электрических машин; они же имеют и наилучшие рабочие показатели, но пусковые характеристики их являются наихудшими: они потребляют большие пусковые токи, порядка 5 — 7-кратной номинальной величины, и развивают не всегда достаточно большой пусковой момент.

Неблагоприятные пусковые характеристики двигателей с короткозамкнутым ротором, всегда черезмерно большой пусковой ток и не всегда достаточно большой пусковой момент препятствуют их повсеместному распространению. Правда, и в современных двигателях с коротокозамкнутым ротором возможно получить достаточно высокий пусковой момент и сравнительно небольшой, порядка трех-четырехкратной номинальной величины, пускОВОЙ ток, НО только лиш6 за счет резкого ухудшения рабочих показателей двигателя. Чем лучше пусковые характеристики, тем хуже рабочие показатели, и наоборот.

В этом и сказывается внутреннее противоречие и органический порок современных асинхронных двигателей с короткозамкнутьп| ротором.

Настоящим изобретением ставится цель устранить этот недостаток.

В предлагаемом двигателе статор обычный, а короткозамкнутый ротор снабжен широкими и глубокими пазами, в нижней части которых располагаются стержни ротор-.

М 64151 ной клетки, а в верхней части — специальные железные пусковые стержни.

В момент пуска пусковые стержни занимают всю длину роторного паза, по мере же разгона ротора пусковые стержни постепенно выдвигаются из пазов в аксиальном направлении и по достижении номинальных оборотов совершенно выдвигаются из них. При включении двигателя пусковые стержни задвигаются обратно в пазы ротора.

Пусковые стержни имеют двоякое назначение;

1) увеличение индуктивного соппротивления роторной клетки и уменьшение пускового тока двига/ теля и

2) возбуждение внутренних (вихревых) токов в пусковых стержнях и образование ими дополнительного пускового момента. Пусковой ток двигателя, выполненного подобным образом, падает до двух-, трехкратной номинальной величины, а пусковой момент повышается до четырех-,пятикратной номинальной величины. При этом улучшение пусковых характеристик двигателя не связано с ухудшением рабочих показателей, и последние сохраняются на высоком уровне, Выполнение ротора асинхронного двигателя с пусковой обмоткой, стержни которой выдвигаются из пазов ротора при помощи передвигаемых вдоль ротора держателей, вообще не является новым. Новизна же предлагаемого двигателя заключается в том, что в нем, с целью автоматизации процесса выдвижения стержней, применен специальный пусковой механизм. Последний, согласно изобретению, выполнен следующим образом. Дисковые держатели пусковых стержней сидят на ходовых винтах, закрепленных на валу ротора и снаб;— женных шестернями; последние сцеплены, с одной стороны, с сидящей на том же валу и затормаживаемой в период пуска электромагнитом вспомогательной шестерней,,а с другой — с наружной шестерней внутреннего зацепления, могущей быть заторможенном другим электромагнитом при выключении двигателя.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на фиг. 1 и 2 которого представлена принципиальная конструкция ротора предлагаемого двигателя (продольный и поперечный разрезы), на фиг, 3 и 4 — схемы, поясняющие работу зубчатой передачи в вышеуказанном пусковом механизме, на фиг. 5 и 6— диаграммы, характеризующие свойства двигателя.

На фиг. 1 и 2 положение пусковой обмотки и пускового механизма дано в рабочем состоянии.

Здесь обозначено: 1 — вал ротора, 2 — тело ротора, 3 — роторная клетка, 4 — две штампованные фигурные детали с прорезами, служащие для направления и поддержания пусковых стержней, 5— пусковые стержни, 6 — два диска, являющиеся держателями пусковых стержнеи; держатели 6 имеют возможность свободно перемещаться вдоль вала двигателя; 7 — два ходовых винта, проходящие через нарезные втулки в держателях 6, направление резьбы одной половины ходового винта противоположно направлению резьбы второй его половины; 8 — стойка, неподвижно закрепленная на валу и служащая опорой и упором для обоих ходовых винтов; 9 — две шестерни, жестко сидящие на ходовых винтах;

10 — внутренняя шестерня, свободно сидящая на валу; 11 — цилиндрический ободок, жестко связанный с шестерней 10; 12 — наружная шестерня, охватывающая обе шестерни 9 и имеющая с ними внутренпее зацепление; шестерня 12 снабжена с боков двумя радиально выступающими кольцами, удерживающими ее в постоянном зацеплении с шестернями 9.

В момент пуска двигателя пусковые стержни задвинуты в пазы ротора, держатели 6 находятся в непосредственной близости от торцов ротора, а шестерня 10 заторможена особым электромагнитом 13, 14, описанным ниже. При разгоне ротора шестерви 9 катятся по шестерне

10, одновременно вращаются вок№ 6415I руг своих осей и увлекают в общее вращение с ротором наружную шестерню 12. Направление вращения ротора и шестерен при пуске иллюстрировано фиг. 3. Вращение шестерен 9 и связанных с ними ходовых винтов вызывает, при надлежащем направлении: резьбы ходовых винтов, перемещение маховиков 6 от торцов ротора к подшипниковым щитам и соответственное выдвижение пусковых стержней из пазов ротора.

При полностью выдвинутых из пазов пусковых стержнях шестерня

9 отпускается затормаживающим ее электромагнитом, она увлекается во вращение с ротором, и пусковые стержни перестают выдвигаться.

B этом положении пусковых стержней двигатель работает как двигатель с нормальным короткозамкнутым ротором.

При выключении двигателя наружная шестерня 12 автоматически затормаживается электромагнитом 18 — 19, шестерни 9, катясь по шестерне 10, вращаются в сторону, противоположную направлению вращения при пуске, и пусковые стержни задвигаются обратно в пазы ротора. Направления вращения ротора и шестерен при остановке двигателя. иллюстрированы фиг. 4.

Электромагнитная система 13, 14 и 18, 19 служит для автоматического торможения и растормаживания шестерни 1О при пуске и остановке электродвигателя. Электромагнитная система включает: 13 — пусковой электромагнит, он перемещается на 1 — 2 мм только в радиальном направлении; 14 — катушку возбуждения пускового электромагнита; питается от зажимов электродвигателя или от низковольтной сети; 15 — железный пакет, впрессованный внутрь ободка 11 и представляющий собой вращающийся якорь пускового электромагнита; 16 — пружинное кольцо;

l7 — тормозную ленту, жестко связанную с кольцом 16; 18— два неподвижных стопорных электромагнита; 19 — обмотки возбуждения с ToIIopных электромагнитов; они питаются непосредственно от зажимов при низковольтном электродвигателе или же от низковольтной сети через блок-контакты выкл1очателя — при высоковольтном электродвигателе; 20 — якори стоIIopII»I электромагнитов, жестко связанные с пружинным кольцом 16.

Работает электромагнитная система следующим образом.

В момент пуска катушки всех трех электромагнитов обтекаются током, пусковой электромагнит 13 притягивается к ободку 11, а якори 20 — к ст опорны м электро м аг нита м 18.

Благодаря этому ободок 11 вместе с шестернеи 10 затормаживается, шестерня 12 освобождается от нажатия (давления) пружинного кольца 16 и стержни выдвигаются пз пазов ротора при. разгоне последнего.

В момент, когда пусковые стержни полностью выдвинуты из пазов, особый контактный прерыватель, описанный ниже, разрывает цепь электромагнита; действием небольшой пружины (не показанной на чертеже) пусковой электромагнит оттягивается от поверхности ободка 11 на 1 — 2 мм, Освободившаяся шестерня 10 увлекается во врап<ение с ротором, и пусковые стержни перестают выдвигаться.

При включении электродвигателя питание стопорных электромагнитов прекращается, пружинное кольцо затормаживает посредством колодок-лент 17 шестерню 12 и по мере продолжающегося вращения ро гора пусковые стержни задвигаются обратно в пазы ротора так, ка к это о пи с а но выше.

Обратный ход пусковых стержней ограничивается специальным устройством. Это устройство служит для предотвращения недопустимо больших натяжек винтовой передачи. В двигателях малой мощности (менее 1О квт) ограничитель хода может отсутствовать.

Ограничитель обратного хода вк:почает:

21 — диски, насаженные на граненых утолщениях ходовых винтов; они не могут вращаться вокруг винтов, но могут несколько перемешаться вдоль них;

22 — ша Йбу, свободно сидящую на валу двигателя; эта шайба благодаря шпонке (па чертеже не показана) не может вращаться на валу;

23 — магнитное кольцо, жестко сидящее на валу;

24 — медное или алюминиевое кольцо, служащее для возбуждения магнитного кольца; двумя диаметрально противоположными точками оно присоединяется к двум точкам разной полярности на короткозамыкающем кольце роторной клетки;

25 — спиральную пружину, отталкивающую шайбу 22 от магнитного кольца 23 (на чертеже показана схематически).

Работает ограничитель хода следу!ощим образом.

Незадолго до того как пусковые стержни доходят до крайнего пускового положения, маховик б надвигается на диски 21 и прижимает их к шайбе 22. Под действием пружины 25 на дисках возникает момент сил трения, противодействующий вращению ходового винта. При соответственно подобранной пружине

25 и отпводействующий мо, ент д!.— сков превышает момент, тормозящий наружную шестерню 12, ходовые винты перестают вращаться, шестерня 12 увлекается в общее вращение с ротором (до остановки последнего) и пусковые стержнями фиксируются в достигнутом пусковом положении.

При пуске двигателя в ход, т. е. при включении последнего, кольцо

24 обтекается током от короткозамыкающих колец, магнитное кольцо 23 притягивает шайбу 22, диски

21 освобождаются и ходовые винты получают возможность свободного вращения для очередного выдвижения пусковых стержней.

Для уменьшения потребной силы пружины и магнитного кольца может быть применено несколько пар дисков и шайб.

Вышеописанная электромагнитная система пригодна только для нереверсивных электродвигателей.

В случае же реверсируемых электродвигателей, электромагнитная система видоизменяется следующим образом

Пру кинное ко.!ьцо 16 с тормозцыми лентами 17 и якорями 20 выбрасывается и торможение шестерни

12 производится непосредственно электромагнитами 18 при питании их током. Питание электромагнитов производится через блок-контакты на перекл!очателе, причем при включении в одну какую-либо сторону блок-контакты замыкают цепь электромагнита 13 через контактный прерыватель (см. ниже) и размыкают цепь электромагнитов 18; при переключении двигателя на другую сторону вращения блок-контакты размыкают цепь электромагнита 13 и замыкают цепь электромагнитов

18 через тот же контактный прерыватель.

Работа реверсивного пускового механизма протекает следующим образом.

При вк;почении двигателя в прямом направлении (в направлении нагрузки) блок-контакты переключателя замыкают цепь электромагнита 13; при этом выдвижение пусковых стержней и отключение цечи электромагнита 13 при по;шом вь: вижении их производится так же, как в нереверсивном пусковом механизме.

При переключении двигателя на другую сторону вращения блок-контакты замыкают цепь электромагнитов 18, наружная шестерня 12 затормаживается и вдвижение стержней в пазы производится так же, как в нереверсивном пусковом механизме. Когда скорость вращения ротора падает до нуля и ротор разгоняется в обратную сторону, Тр же самые электромагниты 18, продолжая затормаживать Tv же шестерню, выдвигают теперь пусковые стержни. При полном выдвижении пусковых стержней контактный прерыватель (см. ниже) размыкает цепь электромагнитов 18 и, пусковые стержни фиксируются в достигнутом и!оложении.

Новая перемена направления вращения происходит аналогичным образом.

1 № 64151

Контактный прерыватель служит для разрыва цепи пускового электромагнита при полном выдвижении пусковых стержней.

Контактный прерыватель составляют:

26 — стерженек контактного прерывателя;

27 — подвижной контакт; сидит глухо на стерженьке 26 и заизолирован от последнего;

28 — два неподвижных контакта;

29 — спиральная пружина, зажатая между выступом стерженька

26 и подшипниковым щитом 33 двигателя;

30 — пружинящая пластина в виде дуги; свободный конец ее служит опорой для стерженька 26;

31 — угольничек, жестко связанный с пружинным кольцом 16; он также служит опо рой для стерженька 26.

Контактный прерыватель на фиг.

1 и 2 показан в рабочем положении двигателя. В пусковом положении стерженек 26 отодвинут влево и подвижной контакт 27 замыкает неподвижные контакты 28.

Работает контактный прерыватель следующим образом.

Когда правый держатель 6 доходит до крайнего правого положения, он отодвигает стерженек 26 в крайнее правое положение, контакты 28 размыкаются и цепь электромагнита 13 разрывается. В то же время электромагниты 18, притягивая якори 20, растягивают на 1 — 2 мм горизонтальный диаметр пружинного кольца 16 и почти настолько же сокращают его вертикальный диаметр. Угольничек 31, связанный с кольцом 16, оттягивается вниз и тянет за собой конец упругой дуги

30. Часть стерженька 26, охваченная им, подвергается двойному давлению угольничка и дуги. При правильно подобранной дуге возникающая сила трения превышает давление пружины 29, и контакты 28 остаются разомкнутыми во все время работы двигателя. Благодаря выступу. 32 на маховике, приходящемуся на уровне левого конца стерженька 26, маховик при вращении почти не касается стерженька 26 и лишь изредка, при продольной игре ротора, скользит выступом по левому концу его.

При выключении двигателя электромагниты 18 отпускают пружинное кольцо 16, угольничек 31 и дуга 30 возвращаются в нормальное положение, стерженек 26 освобождается от давления н замыкает цепь электромагнита 13.

В отличие от обычных асинхронных двигателей токи, моменты и прочие параметры предлагаемого асинхронного двигателя не находятся в жесткой связи со скольжением и для каждого заданного скольжения меняются в широких пределах, в зависимости от степени выдвижения пусковых стержней.

На фиг. 5 даны примерные кривые пускового момента, в зависимости от скольжения, для различных степеней выдвижения из пазов пусковых стержней. Аналогичные кривые даны на фиг. 6 для пусковых токов.

Пользуясь характеристическими кривыми фиг. 5 и 6, можно построить кривые пускового тока и момента, соответствующие любому заданному, в зависимости от скольжения, It) сковому моменту рабочего механизма.

По предположениям изобретателя предлагаемый двигатель обладает следующими свойствами.

Пусковой ток в предлагаемом двигателе меньше пускового тока обычных двигателей с короткозамкнутым ротором в 2 — 3 раза. Величина пускового тока определяется потребной величиной начального пускового момента, причем кратность начального пускового тока больше кратности начального пускового момента, приблизительно, только на единицу.

Изменение величины начального пускового тока в зависимости от потребного пускового момента достигается: изменением удельного сопротивления железа пусковых стержней, применением железо-медных пусковых стержней с одной или двумя медными пластинками соответствующей толщины и применением пусковой клетки (послед¹ 64151 нее — для двигателей менее 10—

15 квт).

Пусковой момент в предлагаемом двигателе необычайно высок: при равных пусковых токах он больше пу скового момента обычных двигателей с коро<гкозамкнутым ротором в 2 — 3 раза. Более того, максимальный пусковой»омент предлагаемого двигателя больше даже максимального пускового момента двигателя с фазным ротором, причем это превышение доходит до 30 /0 от максимального момента двигателя с фазным ротором.

Последнее объясняется тем, что реактивное сопротивление в момент пуска ротора с выдвижными пусковыми стержнями почти в два раза меньше, чем ротора с фазным ротором.

Максимальный пусковой момент двигателя предлагаемого типа приходится на начальный период пуска (при неподвижном роторе), тогда как в обычных асинхронных двигателях начальный пусковой момент, как правило, ниже максимального пускового момента, что также является достоинством предлагаемого двигателя.

Опрокидывающий или перегрузочный момент двигателя с выдвижными стержнями, как правило, значительно больше (на 20 — 40%) опрокидывающего момента двигателей с глубоким пазом или ротором Бушеро, При наличии пусковой клетки опрокидывающий момент двигателя предлагаемого типа значительно больше опрокидывающего момента двигателя с фазным ротором. При отсутствии пусковой клетки опрок идывающий момент предлагаемого двигателя незначительно больше или меньше опрокидывающего момента двигателя с фазным ротором.

Опрокидывающий момент предлагаемого двигателя меньше опрокидывающего момента двигателей с простой беличьей клеткой и то только в том случае, если последние запроектированы с минимальным реактивным падением напряжения и максимальным пусковым током.

Опрокидывающий момент двигателя с выдвижными пусковыми стержнями меньше его максимального значения начального пускового момента.

Далее по исследованиям изобретателя cos

cos

Особенно значительна разница в

cos

Изобретатель также нашел, что коэфициент полезного действия двигателя предлагаемого типа, при прочих равных условиях и при одинаковом расходе меди, выше. чем для всех прочих BcHHxpoHllhlx двигателей.

По сравнению с фазным ротором потери в роторе с выдвижными стержнями в 2 — 3 раза меньше (при одинаковом расходе меди). По сравнению с двигателями с короткозамкнутым ротором потери в двигателях предлагаемого типа уменьшаются в основном вследствие более высокого cos и вследствие

Nî о4151 лучшего распределения потерь в меди статора и ротора. Дело в том, что суммарные потери в меди, при заданном расходе ее, минимальны только при определенном соотношении потерь в роторной клетке и статорной обмотке, равном, примерно, 1: 2 до 1: 3. В действительных же двигателях, ради увеличения пускового момента,,идут по пути увеличения потерь в роторе до соотношения 2:3 и даже 1: 1. Последнее приводит (при условии постоянства расхода меди) к увеличению общих потерь в меди двигателя до 20 — 30%. В двигателях предлагаемого типа этот недостаток места не имеет.

В двигателях, предназначенных для обслуживания механизмов с ударной, пульсирующей и прерывистой нагрузкой, разница в потерях в пользу предлагаемого двигателя еще больше.

Асинхронный двигатель с выдвижными пусковыми стержнями тяжелее существующих асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Утяжеление это вызвано наличием пускового механизма, удлинением и утолщением вала и удлинением подшипникового щита, и составляет около 5 — 10% от общего веса обычного двигателя.

Однако, вследствие улучшения

cos y и уменьшения общих потерь в меди, двигатель предлагаемой системы допускает более высокое использование активного материала и увеличение мощности двигателя до 5 — 10% по сравнению с двигателями с глубоким пазом или ротором Бушеро.

В результате предлагаемый двигатель, по предположениям изобретателя, по весу мало отличается от двигателей с глубоким пазом или ротором Бушеро и легче двигателя с фазным ротором. По сравнению же с двигателями с короткозамкнутым или фазным ротором, взятым вместе с их пусковой аппарагурой (реостатом, автотрансформатором, реактором), двигатель предлагаемой системы легче последних на 20 — 40%.

В установках с ударной, пульсирующей и прерывистой нагрузкой предлагаемый двигатель допускает большую загрузку, чем двигатели с глубоким пазом или ротором Бушеро равной мощности, что также приводит к уменьшению удельного веса двигателя.

Изобретатель полагает, что предлагаемый двигатель по своим габаритным размерам будет почти одинаков с двигателем с фазным ротором. но длиннее на 20 — 30% двигагателя с короткозамкнутым ротором. По ширине и высоте предлагаемый двигатель ничем не отличается от других.

По сравнению с обычными двигателями, взятыми вместе с пусковой аппаратурой, двигатель предлагаемой системы требует помещения меньших габаритных размеров.

Подводя итоги. изобретатель делает следующие общие выводы:

1. По своим пусковым характеристикам двигатели предлагаемой системы являются наилучшими среди всех существующих асинхронных двигателей.

2. Двигатели предлагаемого типа имеют наилучшие рабочие показатели: коэфициент полезного действия, cos y и опрокидывающий момент.

3. Стоимость предлагаемого двигателя незначительно выше стоимости обычных двигателей с короткозамкнутым ротором, а в условиях непрямого пуска — значительно ниже стоимости последних, взятых с пусковой аппаратурой.

4. Предлагаемый двигатель может быть с успехом применен везде, где требуется малый пусковой ток, большой пусковой момент, большой опрокидывающий момент, высокие cos ср и коэфициент полезного действия. Такие двигатели могут быть с успехом применены для привода поршневых насосов и компрессоров, глубоких насосов, подъемных механизмов (краны, лифты), ударных механизмов (молота, штампы) и тому подобных установок.

Л" 64151

Предмет изобретения

Асинхронный двигатель, стержни .пусковой обмотки которого выполнены. выдвижными из пазов ротора при помощи передвижных вдоль вала ротора дисковых держателей, отличающийся тем, что, с целью автоматизации процесса выдвижения стержней, держатели б сидят на ходовых винтах 7, закрепленных на валу ротора и снабженных шестернями, 9, сцепленными, с одной стороны, с сидящей на том. же валу и затормаживаемой в период пуска электромагнитом 13 — 14 шестерней 10, а с другой — с наружной шестерней 12 внутреннего зацепления, могущей быть заторможенной электромагнитом 18 — 19 при включении двигателя.

gO (jg )тй

Фиг. 2

Фи-. 4

P рмй р,й Я gC grCpkйлтЖлрр г / pa gy+g

Фиг. 5,врл S йlдг

Отв. рсдактор 1. А. Михайлов Т тн. радиатор M. В, Сволакивав

Л12В669 Подписано к е а н 1Згд 11 1946 г. Т р.нг 600 э а. 114 а 66 к. Зак. 106

Т погp ôè Госпланвалатв, ни. Вороно с а . К лтл

Фиг. 3

ky 8c уХ МР> 3

S

3

1

Oft g0 Ю CP .7